научная статья по теме УЛЬТРАСТРУКТУРА И ВОЗМОЖНОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ ВЕГЕТАТИВНЫХ ТКАНЕЙ ПЫЛЬНИКОВ Биология

Текст научной статьи на тему «УЛЬТРАСТРУКТУРА И ВОЗМОЖНОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ ВЕГЕТАТИВНЫХ ТКАНЕЙ ПЫЛЬНИКОВ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 110-120

УДК 581.1

УЛЬТРАСТРУКТУРА И ВОЗМОЖНОЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКИХ КАНАЛОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ СВЯЗЬ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ ВЕГЕТАТИВНЫХ ТКАНЕЙ ПЫЛЬНИКОВ

© 2004 г. С. Ю. Ван, Ч. X. Юй, С. Ли, Ч. И. Ван, Г. Ч. Чжэн

Институт биологии клетки, Университет Ланчжоу, Ланчжоу, Китай Поступила в редакцию 13.01.2003 г.

Цитоплазматический канал - это отличный от плазмодесмы крупный канал связи между клетками. Считается, что такие каналы играют важную роль в регуляции межклеточного транспорта макромолекул. В данной работе мы исследовали на уровне ультраструктуры распространение, строение и образование таких каналов в соматических тканях пыльников пшеницы, табака и лука в сравнении с каналами в генеративной ткани пыльника. Было показано, что цитоплазматические каналы существуют не только в материнских клетках пыльцы, но также в эпидермисе и сосудистой паренхиме пыльников. В соматических тканях они возникают как выстланные плазмалеммой трубочки диаметром 400-750 нм, заполненные ядерным или цитоплазматическим материалом, последний включает цитозоль, рибосомы и филаментные структуры. Биогенез каналов, по-видимому, сводится к локальному утоньшению клеточных стенок, содержащих многочисленные плазмодесмы, и к слиянию плазмодесм благодаря активности гидролаз, выделяемых расположенными поблизости везикулами. Цитоплазматические каналы в эпидермисе и паренхиме проводящих пучков пыльников пшеницы, лука и табака обычно расположены поодиночке, а не группами, как в материнских клетках пыльцы табака. Таков возможный способ перетекания ядерного материала из клетки в клетку через одиночный канал с образованием в соседней клетке отдельной сферической хроматиновой структуры. Соматическая клетка не может получать ядерный материал от другой клетки, одновременно выталкивая свой собственный в третью клетку. В соматических тканях миграция органелл из клетки в клетку по цитоплазматическим каналам не обнаружена.

Triticum aestivum - Nicotiana tabacum - Allium cepa - цитоплазматические каналы - симпластная связь - ультраструктура - клеточная стенка - эпидермис - паренхима - пыльник - плазмодесмы -материнские клетки пыльцы

Клетки в растении контактируют друг с другом с помощью различных в морфологическом и функциональном отношении каналов. Они соединяют протопласты клеток в цитоплазматический континуум и играют важную роль в регуляции роста, развития и ответных реакций растений на внешние стимулы, влияя на межклеточный транспорт воды, ионов, питательных веществ, метаболитов и различных макромолекул. Из их числа следует выделить широкие цитоплазматические каналы (ЦК), варьирующие в размерах от 250 до 1750 нм [1], которые могут пропускать не только макромолекулы, но и крупные органел-лы, такие как митохондрии, пластиды, вакуоли, эндоплазматический ретикулум или ядра [2-6]. В

Сокращения: вПд - вторичная плазмодесма; КС - клеточная стенка; Пд - плазмодесма(ы); МКП - материнская клетка(и) пыльцы; ЦК - цитоплазматический канал. Адрес для корреспонденции: Xin Yu Wang. Institute of Cell Biology, Lanzhou University, Lanzhou, 730000 China. Fax: (086) 0931-8912561; e-mail: wangxy@lzu.edu.cn

связи с их большими размерами и специфическими функциями считается, что ЦК отличаются от плазмодесм (Пд) [4-6]. Последние достигают только 30-50 нм в диаметре и обычно пропускают только молекулы размером менее 1 кД.

ЦК также называют цитоплазматическими соединениями или каналами цитомиксиса [4]. Исходно в 1901 г. они были независимо обнаружены Mieche и Konicke в клетках эпидермиса Allium nutans и материнских клетках пыльцы (МКП) Crocus vernus. Под световым микроскопом они выглядели как тонкие струнки или нити протоплазмы, соединяющие соседние клетки, и их стали рассматривать как важные каналы межклеточного обмена материалом [9]. Позже Gates более детально описал миграцию ядерного материала от клетки к клетке по ЦК мужских мейоцитов Oenothera gigas и назвал это явление цитомикси-сом [9]. Позднее ЦК и цитомиксис регулярно находили в других видах растений [10-12] и исследовали также под электронным микроскопом [1-4]. В течение прошедших 30 лет большинство иссле-

дований проводили иод световым микроскопом, используя в качестве объекта МКП [13-27]. Соматическим тканям уделяли мало внимания. В связи с этим неясно, являются ли сами ЦК и осуществляемое с их участием межклеточное перемещение протоплазмы (цитомиксис) обычным явлением и для соматических тканей растений и каковы в этом случае происхождение и ультраструктура этих каналов.

Пыльник - это орган, содержащий не только генеративные клетки, но и различные вегетативные ткани, различающиеся по форме, структуре и функциям. При развитии пыльника эти клетки/ткани обычно подвергаются морфологическим и структурным изменениям. Пыльники -удобная модельная система как для изучения структуры и функции ЦК в репродуктивных и вегетативных тканях, так и для сравнения этих тканей. В настоящей статье мы рассматриваем главным образом электронно-микроскопические наблюдения, проведенные на молодых пыльниках пшеницы, лука и табака, которые демонстрируют существование ЦК как в генеративных клетках (МКП), так и в вегетативных тканях (эпидермис и паренхима сосудистых пучков). Особое внимание уделено возможности модификации тех участков клеточных стенок (КС), в которых много Пд.

МЕТОДИКА

В работе использовали растения Triticum aesti-vum, Nicotiana tabacum и Allium cepa. Пшеницу выращивали в поле, а лук и табак - в вегетационном домике. В начале цветения собирали незрелые закрытые бутоны. Из одного из пыльников каждого бутона приготавливали давленый препарат для определения стадии развития, а остальные пыльники нарезали на сегменты длиной 1-2 мм. Их немедленно фиксировали в 2.5% глютаровом альдегиде ("Sigma", США) в 0.1 М фосфатном буфере (рН 7.2) при комнатной температуре в течение 24 ч и дополнительно в 1% OsO4 ("Sigma") в таком же буфере при 4°С в течение ночи. Фиксированные образцы промывали 0.1 М фосфатным буфером (рН 7.2) и дистиллированной водой, а затем проводили через серию спиртовых растворов, заливали в Эпон 812 ("Sigma") и приготавливали срезы на ультрамикротоме LKB-8800 ("LKB", Швеция). Срезы толщиной 70-80 нм окрашивали цитратом свинца и уранилацетатом и исследовали под электронным микроскопом EM-400T ("Phillips", Нидерланды).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Клетки эпидермиса пыльников пшеницы

Молодые пыльники растений обычно состоят из двух симметричных долей, разделенных соеди-

нительной тканью (связник) с маленьким центральным проводящим пучком. В каждой доле расположено два вытянутых спорангия (или ло-кулы), каждый из которых окружен стенкой, состоящей из эпидермиса, эндотеция, срединного слоя и тапетума, и содержит некоторое число спорогенных клеток или МКП. Однако число и строение слоев клеток стенки пыльника и число МКП в каждой локуле различаются в зависимости от вида и сорта растения. Исследуемые нами пыльники пшеницы были длиной 1-2 мм, а их МКП находились на стадии ранней профазы первого мейотического деления. На поперечных срезах каждый микроспорангий содержал МКП, расположенные по кругу вдоль внутренней перикли-нальной стенки тапетума и окруженные 3-5 слоями клеток. Помимо МКП, ЦК и межклеточное перемещение протоплазмы по ЦК наблюдали в клетках эпидермиса.

Под электронным микроскопом видно, что эпидермис стенки пыльника состоит из плотно расположенных вытянутых прямоугольных клеток с ядром, находящимся вблизи клеточной стенки, с хорошо развитыми вакуолями и очень плотной цитоплазмой. Их антиклинальные стенки, очевидно, гораздо тоньше, чем внутренняя и наружная периклинальные стенки, и их пронизывают Пд (рис. 1а-1д) или ЦК (рис. 2а-2г). Пд антиклинальных КС имели вид тонких цитоплазмати-ческих нитей (толщиной 30-50 нм) с очень высокой электронной плотностью, они не были беспорядочно распределены в КС, но были собраны в группы (рис. 1а-1д). Такие кластеры Пд обычно включали несколько недоразвитых или неразвитых Пд, т.е. Пд не пересекавших полностью толщу КС. Это, по-видимому, означает, что, по крайней мере, несколько Пд в группе можно считать возникшими вторично (рис. 1в, 1г). Более того, можно видеть, что в некоторых группах Пд, отдельные Пд становятся неразличимы, по-видимому, расширяясь и сливаясь с соседними Пд; тем самым возникает более широкий канал (рис. 1д). Также можно заметить, что в местах локализации таких групп Пд КС подвергается эрозии с обеих сторон и утоньшается (рис. 1е). Кроме того, органеллы, такие как пластиды, митохондрии, вакуоли или везикулы скапливаются вблизи участков КС, обогащенных плазмодесмами (рис. 1а-1д). Участки КС с группами Пд становятся тоньше (300-500 нм в ширину), постепенно расширяются и, наконец, преобразуются в ЦК.

На рис. 2а можно видеть типичный ЦК, образовавшийся в антиклинальной КС в эпидермисе пыльника пшеницы. Он выглядит как широкая щель в КС, заполненная цитоплазмой с большим количеством рибосом и коротких филаментов, расположенных перпендикулярно КС. На рис. 26 виден другой типичный ЦК в тех же клетках, заполненный и окруженный электронно-непро-

Рис. 1. Соседние клетки эпидермиса пыльника пшеницы.

а - крупная вакуоль (В), толстая наружная стенка (НКС) и тонкая антиклинальная стенка, пронизанная группами плазмодесм (стрелки). Масштабная линейка = 0.5 мкм; б - большая центральная вакуоль (В), плотная цитоплазма и антиклинальная стенка, пронизанная группами плазмодесм (стрелки). Возле одной из них виден большой пузырек. Масштабная линейка = 0.25 мкм; в - увеличенное изображение группы плазмодесм в антиклинальной клеточной стенке, состоящей из 7 Пд, включая несколько недоразвившихся Пд (стрелки). Группа расположена вблизи центральной вакуоли (В) и гантелевидной пластиды (П). Масштабная линейка = 0.5 мкм; г - еще одна увеличенная группа Пд в антиклинальной клеточной стенке, состоящая из 7 Пд, вблизи многочисленных пластид (П) и митохондрий (М). Масштабная линейка = 0.5 мкм; д - очертания плазмодесм становятся нечеткими, по-видимому, из-за латерального растяжения и слияния. Масштабная линейка = 0.25 мкм; е - участок клеточной стенки с многочи

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком